Svemirske misije koje traju nekoliko desetljeća - ili čak i duže - zahtijevat će novu generaciju napajanja.
Sustav napajanja je vitalna komponenta svemirskog broda. Ovi sustavi moraju biti izuzetno pouzdani i dizajnirani da podnose teška okruženja.
Današnji sofisticirani uređaji zahtijevaju sve veću snagu - kakva je budućnost njihovih napajanja?
Prosječni moderni pametni telefon jedva može izdržati dan uz jedno punjenje. A sonda Voyager, lansirana prije 38 godina, još uvijek šalje signale na Zemlju nakon napuštanja Sunčevog sustava.
Računala Voyager sposobna su 81 tisuću operacija u sekundi - ali procesor pametnog telefona je sedam tisuća puta brži.
Pri dizajniranju telefona, naravno, podrazumijeva se da će se on redovito puniti i malo je vjerojatno da će biti nekoliko milijuna kilometara od najbliže utičnice.
Neće raditi za punjenje baterija svemirske letjelice koja bi se, prema planu, trebala nalaziti stotinu milijuna kilometara od strujnog izvora, neće raditi - treba biti sposobna ili nositi baterije dovoljnog kapaciteta na brodu da djeluju desetljećima, ili sami proizvoditi struju.
Ispada da je prilično teško riješiti takav problem dizajna.
Promotivni video:
Neki uređaji u vozilu samo povremeno trebaju struju, dok drugi trebaju stalno raditi.
Prijemnici i odašiljači moraju biti uvijek uključeni, a u letu s posadom ili na svemirskoj stanici moraju se uključiti i sustavi za održavanje života i rasvjete.
Dr. Rao Surampudi vodi program energetske tehnologije u Laboratoriju za mlazni pogon na Kalifornijskom tehnološkom institutu u Sjedinjenim Državama. Već više od 30 godina razvija energetske sustave za razna NASA-ina vozila.
Prema njegovim riječima, energetski sustav obično čini oko 30% ukupne mase svemirskog broda. Rješava tri glavna zadatka:
- proizvodnja električne energije
- skladištenje električne energije
- distribucija električne energije
Svi su ovi dijelovi sustava od vitalnog značaja za rad aparata. Moraju biti lagani, izdržljivi i imati visoku "energetsku gustoću" - to jest stvaraju puno energije s prilično malim volumenom.
Osim toga, moraju biti pouzdani, jer je slanje osobe u svemir radi popravljanja kvarova vrlo nepraktično.
Sustav mora ne samo stvarati dovoljno energije za sve potrebe, već to činiti i tijekom cijelog leta - a može trajati desetljećima, a u budućnosti možda i stoljećima.
"Dizajnerski vijek trebao bi biti dug - ako se nešto pokvari, nitko neće popraviti", kaže Surampudi. "Let do Jupitera traje pet do sedam godina, do Plutona više od 10 godina, a sunčevom sustavu treba 20 do 30 godina."
Sustavi napajanja svemirske letjelice nalaze se u vrlo specifičnim uvjetima - moraju ostati funkcionalni u odsutnosti gravitacije, u vakuumu, pod utjecajem vrlo intenzivnog zračenja (koje bi onesposobilo većinu konvencionalnih elektroničkih uređaja) i ekstremnih temperatura.
"Ako slete na Veneru, tada će se 460 stupnjeva prevrtati", kaže specijalist. "A pri slijetanju na Jupiter temperatura će biti minus 150".
Svemirske letjelice koje idu prema središtu Sunčevog sustava nemaju manjak energije prikupljene njihovim fotonaponskim pločama.
Ti se paneli malo razlikuju od solarnih panela instaliranih na krovovima stambenih zgrada, ali istodobno djeluju s mnogo većom učinkovitošću.
Jako je vruće u blizini sunca i PV ploče se mogu pregrijati. Da bi se to izbjeglo, ploče su okrenute od Sunca.
U planetarnoj orbiti fotonaponski paneli su manje učinkoviti: stvaraju manje energije, jer ih s vremena na vrijeme od samog Sunca ograđuje planeta. U takvim situacijama potreban je pouzdan sustav skladištenja energije.
Atomska otopina
Takav sustav može se izgraditi na temelju nikal-vodikovih baterija, koji mogu izdržati više od 50 tisuća ciklusa punjenja i trajati više od 15 godina.
Za razliku od klasičnih baterija, koje ne rade u prostoru, ove su baterije zatvorene i mogu normalno funkcionirati u vakuumu.
Udaljenosti od Sunca razina sunčevog zračenja prirodno opada: za Zemlju je 1374 vata po kvadratnom metru, za Jupiter - 50, a za Pluton - samo jedan vat po kvadratnom metru.
Stoga, ako svemirska letjelica napusti orbitu Jupitera, tada koristi atomske sustave napajanja.
Najčešći od njih je radioizotopski termoelektrični generator (RTG) koji se koristi na sondi Voyager i Cassini te na roveru Curiosity.
U tim izvorima napajanja nema pokretnih dijelova. Oni stvaraju energiju propadanjem radioaktivnih izotopa poput plutonija. Njihov životni vijek prelazi 30 godina.
Ako je nemoguće koristiti RTG (na primjer, ako je za zaštitu posade od zračenja potreban ekran koji je previše masivan za let), a fotonaponski paneli nisu prikladni zbog prevelike udaljenosti od Sunca, tada se mogu koristiti gorivne ćelije.
Vodik-kisikove gorivne ćelije korištene su u američkim svemirskim programima Blizanci i Apolon. Te se stanice ne mogu puniti, ali oslobađaju puno energije, a nusproizvod ovog procesa je voda koju posada može piti.
NASA i Jet Propulsion Laboratory rade na stvaranju snažnijih, energetski intenzivnih i kompaktnih sustava s velikim vijekom trajanja.
No, nove svemirske letjelice trebaju sve više i više energije: njihovi brodski sustavi neprestano postaju složeni i troše puno električne energije.
To se posebno odnosi na brodove koji koriste električni pogon - na primjer, ionski pogonski uređaj, prvi put korišten na sondi Deep Space 1 1998. godine i od tada je postao široko rasprostranjen.
Električni motori obično rade izbacivanjem goriva električnom energijom velikom brzinom, ali postoje i oni koji aparat ubrzavaju kroz elektrodinamičku interakciju s magnetskim poljima planeta.
Većina energetskih sustava Zemlje nije sposobna raditi u svemiru. Stoga svaka nova shema prolazi kroz niz ozbiljnih ispitivanja prije nego je instalirana na svemirsku letjelicu.
NASA-ine laboratorije rekreiraju oštre uvjete u kojima će novi uređaj morati funkcionirati: ozračen je zračenjem i podložan je ekstremnim temperaturnim promjenama.
Prema novim granicama
Moguće je da će se u budućim letovima koristiti poboljšani Stirling radioizotopski generatori. Djeluju na principu sličnom RTG-u, ali mnogo učinkovitijim.
Osim toga, mogu se napraviti vrlo male - iako je dizajn dodatno kompliciran.
Izrađuju se nove baterije za NASA-in planirani let u Europu, jedno od Jupiterovih Mjeseca. Oni će moći raditi na temperaturama u rasponu od -80 do -100 stupnjeva.
A nove litij-ionske baterije na kojima trenutačno rade dizajneri imat će dvostruko veći kapacitet od sadašnjih. Uz njihovu pomoć, astronauti mogu, primjerice, provesti dva puta duže na mjesečevoj površini prije nego što se vrate na brod da se napune.
Izrađuju se i novi solarni paneli koji bi mogli efikasno prikupljati energiju pri slabom svjetlu i niskim temperaturama - što će omogućiti uređajima na fotonaponskim pločama da odlete od Sunca.
U nekoj fazi NASA namjerava uspostaviti trajnu bazu na Marsu - i vjerojatno na udaljenijim planetima.
Energetski sustavi takvih naselja trebali bi biti mnogo moćniji od onih koji se danas koriste u svemiru i dizajnirani za mnogo duži rad.
Na Mjesecu je puno helija-3 - ovaj izotop se rijetko nalazi na Zemlji i idealno je gorivo za termonuklearne elektrane. Međutim, još uvijek nije moguće postići dovoljnu stabilnost termonuklearne fuzije kako bi se ovaj izvor energije koristio u svemirskim brodovima.
Pored toga, trenutačno postojeći termonuklearni reaktori zauzimaju područje hangara aviona, pa ih je u tom obliku nemoguće koristiti za svemirske letove.
Je li moguće koristiti konvencionalne nuklearne reaktore, posebno u vozilima s električnim pogonom i u planiranim misijama na Mjesec i Mars?
U ovom slučaju, kolonija ne mora imati zasebni izvor električne energije - brodski reaktor može igrati svoju ulogu.
Za dugotrajne letove moguće je koristiti atomsko-električne propelere.
"Misija za odbacivanje asteroida zahtijeva da velike solarne ploče imaju dovoljno električne energije za manevriranje oko asteroida", kaže Surampudi. "Trenutno razmatramo solarno-električnu pogon, ali atomsko-električni bi bio jeftiniji."
Međutim, malo je vjerojatno da ćemo u skoroj budućnosti vidjeti svemirske letjelice s nuklearnim pogonom.
„Ova tehnologija još nije dovoljno razvijena. Moramo biti potpuno sigurni u njegovu sigurnost prije nego što takav uređaj lansiramo u svemir, “objašnjava stručnjak.
Daljnja stroga ispitivanja potrebna su kako bi se osiguralo da reaktor može izdržati strogost svemirskog leta.
Svi ti obećavajući energetski sustavi omogućit će svemirskim brodovima da duže i lete na velikim udaljenostima - ali za sada su u ranoj fazi razvoja.
Kada se testovi uspješno završe, takvi će sustavi postati obvezna komponenta letova do Marsa - i šire.